雅安市一次暖区强降水过程中多普勒雷达回波特征分析

闵 涛，吴 筱，高文良，周学云，吴亚平

(1.四川省雅安市气象局，四川 雅安 625000；2.四川省九寨沟县气象局，四川 九寨沟 623400)

0 引言

暖区暴雨突发性强、强度大，容易造成气象次生灾害，因此一直以来都是气象工作者的研究重点。由于触发暖区暴雨的天气尺度扰动信号弱，而多普勒雷达资料较常规观测资料具有高时空分辨率优势，更能捕捉到产生强降水的中小尺度对流系统，因此被广泛应用于暖区暴雨的研究。

关于强降水落区以及强降水产生原因与回波的关系研究较多，并且取得较好的成果，但关于回波发展传播机制的研究相对较少，近年来这方面的研究也逐渐增多，体现了回波发展传播机制的重要性，而且在这方面的研究也的确取得了很好的成果。孙敏[1]等在对上海地区一次强对流天气的分析中对对流系统的传播进行总结：沿顺风方向传播;低层辐合造成的传播;沿不稳定梯度的传播;边界层相互作用。陈淑琴[4]等在对浙北沿海连续3次飑线演变过程的分析中指出强雷暴单体的下沉气流在近地面形成冷池，其前侧冷空气向外扩散形成的阵风锋通过迫使锋前暖湿气流抬升，在阵风锋附近产生新的对流单体，从而形成对流系统的传播。孙敏[1]等的研究也表明阵风锋可导致地面风场辐合加强以及阵风锋两侧温、湿度的加大，这些对于对流的发展和维持非常有利。郑媛媛等[2]通过对一次特大暴雨过程的分析得出造成强回波在特定区域保持相对静止状态的原因是新的对流单体不断在西侧产生，出现后向传播。

研究雷达回波的发展传播机制对于分析回波的发展演变趋势有重要意义，因此针对2018年7月14日雅安市发生的一次暖区强降水过程，本文将利用多普勒天气雷达、常规观测和加密自动站观测资料，对此次过程发生的环境条件进行分析，并着重对雷达回波的发展传播机制进行探讨，以期为今后雅安地区强降水预报提供参考依据。

图1 2018年7月14日20时—15日20时雅安地区累积降水量分布图(a)；黄龙水库站逐小时降水量变化(b)Fig.1 Accumulated precipitation (unit:mm) over Yaan from 20∶00 BT 14 to 20∶00 BT 15 July 2018. and (b) hourly rainfall (unit:mm) at Huanglongshuiku from 17∶00 BT 14 to 19∶00 BT 15 July 2018

1 过程概况

2018年7月14日夜间，雅安地区出现了一次强降水过程，全市402个自动雨量测站资料显示，7月14日20时—15日20时的24 h累计降水量达暴雨标准的有107站,大暴雨标准的有30站, 全市最大值出现在雨城黄龙水库，雨量为161.2 mm，最大小时雨强60.1 mm，主要降水区域在雅安市中部县区和市南部的石棉县西南部。降水从14日17时左右开始，强度较弱，强降水主要集中在14日21时—15日00时，持续大约3 h。雨强大，强降雨时段集中，具有明显的中小尺度系统特征，整个降水过程无冷空气参与，是典型的暖区暴雨。

2 中尺度对流系统形成的天气形势背景分析

2.1 高低空主要影响系统配置

14日08时(图略)，500 hPa副高控制我国华东大部地区，高原东部有一切变，700 hPa和850 hPa上分别有一支偏南风暖湿气流，在盆地中部有明显的风速辐合。20时(图2)，副高稳定略有西伸，同时，高原切变东移至盆地西部，700 hPa和850 hPa偏南风暖湿气流维持。在低层暖湿气流的作用下，700 hPa及以下层次形成一个高湿区，并且低层暖湿气流的输送对不稳定度的加大也十分有利。从过程临近时，20时高低空流场配置图可以看到，东移的高原切变提供了有利的大尺度动力抬升条件。

图2 2018年7月14日20时高低空主要影响系统配置Fig.2 Superposition of the major weather influencing systems in high and low altitude at 20∶00 BT on 14 July 2018

2.2 环境场条件分析

2.2.1 水汽条件 过程发生之前，14日08时雅安地区700 hPa及以下层次气温和露点温度就非常接近，均处于高湿区内。在低层偏南风暖湿气流的作用下，水汽条件进一步改善。20时盆地西部代表站温江探空站资料显示700 hPa比湿达11.76 g/kg，850 hPa比湿达17.3 g/kg，表明低层含水量丰富。此时整层大气的可降水量均达到50 mm及以上(图略)，这为强降水的产生提供了有利的水汽条件。

2.2.2 热力和不稳定条件 14日20时温江探空资料显示，850 hPa假相当位温达89.25 K，SI指数为-2.23 ℃，K指数为42 ℃，对流有效位能达3 840 J/kg，表明当日温江站上空大气处于不稳定状态。另外从探空曲线图可以看到对流有效位能呈狭长结构，而抬升凝结高度为898 m，对流凝结高度为877 m，自由对流高度为862 m，这3个指标的高度均较低，对流抑制仅有10.9 J/kg，表明对流天气的触发对抬升条件的要求不高，且一旦触发易造成强降水天气。

图3 2018年7月14日20时温江站T-lnp图Fig.3 The T-lnp at Wenjiang station at 20∶00 BT on 14 July 2018

2.3 对流初生阶段触发机制分析

从上述分析可以看到，此次过程雅安地区湿层深厚，低层含水量大，大气处于不稳定状态，且具有较强的对流不稳定能量，为中尺度对流系统的形成提供了有利的环境场条件，只要有一定的抬升触发机制，就可以使对流不稳定能量得到释放，从而造成对流性天气，产生强降水。高原东移的切变提供了大尺度的上升运动条件，但从降水情况来看，此次过程降水强度大，降水集中，表明降水时的垂直速度很大，明显是由中小尺度天气系统造成的。

从图(4a)可以看出，回波先在雅安西部生成，但回波强度较弱，且结构松散，回波的位置和分布状况与雅安西部山区地形稳合(图6)，这表明该回波主要是由于地形的抬升作用而发展起来的。

3 雷达回波特征分析

分析雷达回波的组合反射率因子图(图4)。在雅安西部受地形抬升触发的对流回波很快减弱消散，19时04分(图4b)雅安境内回波很弱，且呈零散分布，与雅安东南部接壤的乐山境内有强度>45 dBz的回波生成。20时03分(图4c)，雅安境内回波仍呈零散分布，强度变化不大，但乐山境内的回波已明显发展，结构变得密实，并连接成线状，回波强度普遍在45 dBz以上，随后该回波沿偏西北路径朝雅安移动。20时59分(图4d)，随着乐山境内回波移入雅安，雅安出现成片强回波，回波强度普遍在40 dBz以上。此后雅安境内成片的强回波维持了3 h左右，且回波质心高度较低，与强降水集中时段对应较好。15日00时后回波强度开始减弱，降水也逐渐减弱结束。

图4 2018年7月14—15日雅安雷达组合反射率因子Fig.4 The composite reflectivity of Yaan radar from 14 to 15 July 2018

根据上述分析得知，初始回波是由地形抬升触发，所以下面将对发展阶段回波的移入以及维持阶段强回波的准静止状态进行分析，以此来探讨此次过程回波的发展传播机制。

3.1 回波发展阶段

研究表明[3]对流系统的移动向量是对流单体平流和传播两部分合成。每个对流单体平流往往随着对流层850～300 hPa(约为1 500～9 000 m高度)的平均风方向运动；新生对流单体在出流(密度流)边界层前缘的低层垂直风切变方向上不断生成，由此引起的风暴运动称为传播[5]。通常情况下，若整层风速都较弱，对流系统随整层大气的平均风速移动。平均风方向与出流边界层或雷达回波走向接近，对流单体的传播方向与平流就接近，并将导致对流系统移速大于平均风速，移动较快[6]。

分析乐山雷达站和雅安雷达站的风廓线图(图5)，可以看到，两个站点均显示整层风速都较弱。温江20时探空资料显示850 hPa高度为1 420 m，300 hPa高度为9 770 m，而两个站点的风廓线图均显示此高度范围内风向较一致，环境平均风方向近似为东南风。图(4c)中乐山境内强回波呈线状分布，并且其走向为西北—东南向，与环境平均风走向基本一致，此后此回波也快速沿平均风方向移入雅安，导致雅安回波增强。

通过以上分析可知，在分析雷达回波未来的发展传播方向时，可结合雷达风廓线图和回波走向。当回波走向与环境平均风较一致时，可判断未来回波将沿环境平均风方向发展传播。

3.2 强回波维持阶段

从雷达回波的发展演变特征可以看到，大片强回波在雅安中部呈准静止状态，持续大概3 h左右。从回波移动情况来看，并未向发展阶段那样随环境场平均风移动，这可能是由于雅安西部高大地形的阻挡作用。这可以从雅安周边高于3 km的地形图可以看到(图6)，雅安西边地形普遍高于3 km，而强度>40 dBz的回波普遍在3 km及以下，如图4所示。因此下面将着重讨论强回波长时间维持的原因。

图5 雅安雷达风廓线图(a)，乐山雷达风廓线图(b)Fig.5 (a) Radar profile of Yaan station,(b) Radar profile of Leshan station

图6 雅安市高于3 000 m高程分布Fig.6 Height distribution above 3 000 meters in Ya'an

研究表明[3]，降水过程中降水粒子产生的拖曳下沉气流将环境较干的空气卷夹进去，导致雨滴剧烈蒸发冷却，使得下沉气流在近地面形成冷池，在近地面向外扩散并强迫抬升暖湿气流而产生新的对流单体。这种系统内部的再触发机制对暴雨的发生和维持起着关键作用。

从雅安中部雨城区气象观测站的气压和温度变化情况可以看到(图7)，20时20分左右，当对流系统到达观测站点上时，气压开始上升，同时气温开始陡降，这表明下沉气流在近地面形成了冷池，并且气温下降时间段与气压上升时间段基本一致，在20时20分—00时左右，说明此期间不断有下沉气流形成冷池，这个时段也与强降水集中时间段对应较好。

图7 雨城观测站近地面气压和气温的时间序列图Fig.7 Time series diagram of air pressure and temperature which near surface in Yucheng observation station

分析雅安站0.5°仰角的径向速度图(图8)，发现低层东南风暖湿气流持续较长时间，表明不断有暖湿气流向雅安输送。受冷池的抬升作用，有利于新对流单体的不断产生，从而导致雅安境内强回波长时间维持。

综上所述，在以后的预报中可通过分析地面气象要素气压和气温的变化判断冷池是否形成，气压陡升和气温骤降表明地面冷池已经形成，而两者变化趋势重叠的时间段可判断为冷池持续出现。此时若雷达低层风场显示不断有暖湿气流输送过来，有利与对流系统内部不断触发新的对流单体，这种对流系统内部的再触发机制有利于强回波的长时间维持。

图8 雅安雷达0.5°仰角的径向速度图Fig.8 Radial velocity chart at 0.5° elevation from Yaan Doppler weather radar

4 小结

①深厚的湿层、较强的对流不稳定能量以及高原东移切变为中尺度对流系统的产生提供了有利的水汽、不稳定以及大尺度上升运动条件。

②雅安西部出现的初始回波主要是由于地形的抬升作用触发，但回波的发展及维持主要是由于上游对流系统的移入以及对流系统内部的再触发机制。

③在分析雷达回波未来的发展传播方向时，可结合雷达风廓线图和回波走向。当回波走向与环境平均风较一致时，可判断未来回波将沿环境平均风方向发展传播。

④通过分析地面气象要素气压和气温的变化可判断冷池是否形成，气压陡升和气温骤降表明地面冷池已经形成，而两者变化趋势重叠的时间段表明冷池持续出现。此时若雷达低层风场不断有暖湿气流输送过来，有利于对流系统内部不断触发新的对流单体，这种对流系统内部的再触发机制有利于强回波的长时间维持。